Часть первая. Передача телемеханической информации.

Глава 1. Сообщение и информация

Телемеханическая информация передается по каналам связи, образуемым в различных линиях связи. В этой главе даются основные определения, необходимые для дальнейшего понимания процессов помехоустойчивой передачи, приема и воспроизведения информации. Так как передача телемеханической информации осуществляется в виде сигналов, рассматриваются методы образования сигналов и спектры их частот.

§ 1.1. Основные понятия

При управлении производственным процессом всегда возникают сообщения о ходе процесса, которые необходимо передавать автоматическому устройству или руководству. Эти сообщения порождаются различными событиями. В телемеханике, согласно ГОСТ 26.005—82, под событием понимают состояние или изменение состояния объектов и устройств телемеханики, оговоренное в документации.

Сообщения о событии могут быть многообразными. Нанример, сообщение об изменении состава сырья может быть передано данными телеизмерений, а переключение объекта — телесигнализацией. В некоторых сообщениях, полученных с помощью телеизмерений, может оказаться больше сведений, чем это необходимо оператору или вычислительной машине для принятия решений. Некоторые из них уже были известны, а какая-то часть сообщения содержит новизну.

Если под сообщением понимать все то, что передается о ходе производственного процесса (о событии), то под информацией следует понимать лишь часть сообщений, которая представляет новизну и ранее не была известна получателю (оператору или машине). Например, из лаборатории к оператору с определенной периодичностью поступают сведения о ходе илавки стали в мартеновской печи. В каждой из сводок больше половины сведений дублируется (наименование, номер и дата плавки и т. и.). Эта часть сообщения едва ли привлечет внимание оператора. Однако процентный состав компонентов плавки от сводки к сводке меняется и представляет собой информацию, необходимую оператору для управления процессом. В теории связи понятия сообщения и информации хорошо иллюстрируются на примере письма или телеграммы. При получении письма больше половины слов в нем будут стандартными («здравствуй», «до свидания» и т . и .). Однако часть письма или телеграммы будет новостью, например выигрыш по лотерейному билету, дата возможного

приезда. Таким образом, письмо (телеграмма) будет сообщением с заложенной информацией в виде новостей, о которых получатель раньше ничего не знал.

Каким же образом передаются сообщение и информация? В примерах с письмом и телеграммой вначале все было одинаково: письмо и телеграмма были нанисаны на бумаге. Однако в дальнейшем переносчиком письма явился поезд или самолет, который и доставил его адресату, переносчиком же телеграммы — электрические либо электромагнитные колебания, которые изменялись соответственно со словами и буквами телеграммы, образуя так называемые сигналы. В автоматических устройствах сообщения передаются от одного звена устройства к другому также в виде сигналов. Дтя передачи сигналов используются физические процессы, обладающие свойством перемещения в пространстве: звуковые, электрические или электромагнитные колебания, движение струй воздуха и т. п. Это так называемые переносчики информации. Переносчик должен обладать свойством изменять свою форму или параметры под воздействием сообщения. Сам по себе переносчик не является сигналом. Однако если на переносчик соответствующим образом воздействует сообщение, то он превращается в сигнал.

Сигнал — переносчик с нанесенным на нем сообщением ши информацией. Так как сообщений много, то сигналов должно быть также много, но, поскольку переносчик один, сигналы должны отличаться друг от друга и соответствовать передаваемым сообщениям. Это значит, что сигналы должны образовываться по определенному закону.

Итак, чтобы получатель (оператор или машина) узнал о происшедшем события ши получш какие-то новые сведения, должна быть образована информационная цепь: событие

— сообщение с информацией — сигнал. Сигнал подается в линию связи и поступает к получателю, где он снова преобразуется в сообщение и информацию, так как получателю пужен не сам сигнал, а информация, которую он несет.

Такова общая схема передачи сообщений применительно к теории связи. Оставаясь в принципе той же и в телемеханике, она в деталях все же несколько видоизменяется.

Рассмотрим случай полностью автоматизированного процесса, причем несколько идеализированный, когда информация передается без помех и всегда принимается без потерь. Схема передачи телемеханической информации для этого случая представлена на рис. 1.1, а. Датчики или другие контрольно-измерительные приборы, реагируя на изменения параметров процесса, извлекают пужпую информацию. Информация, воздействуя на переносчик, образует сигнал, который передается по линии связи. На приемной стороне методами, рассмотренными в гл. 3 и 6, избавляются от переносчика и вновь получают информацию.

В реальных условиях на сигнал в линии связи действуют помехи (рис. 1.1, б), которые могут частично или полностью исказить передаваемые сигналы. Дтя большей гарантии, что информация дойдет без потерь, необходимо передавать избыточпую информацию. Например, команда «Включить» может передаваться два или три раза. Если, например, первые две команды будут потеряны из-за помех, то третья все же будет выполнена. Однако для приемного устройства только одна команда (на-

занасания информации имеет, например, 32 состояния, то ее информационная емкость С равна log2 32 = 5 двоичным единицам, т. е. емкости пяти двоичных ячеек. Проще выполнить пять двоичных ячеек, каждая из которых обладает двумя состояниями, чем одпу ячейку с 32 состояниями.

Использование логарифмов делает меру информационной емкости аддитивной, что удобно для расчетов. Если, нанример, число возможных сообщений Na передаваемых сигналом а, состоящим из семи элементов, равно 128, а число возможных сообщений Nb, передаваемых сигналом Ь, состоящим из шести элементов, равно 64, то суммарная информационная емкость Ca6=log 128+log 64 = 7 + 6= 13. Если к этой сумме прибавить число сообщений Nc передаваемых сигналом с, состоящим из одного элементарного сигнала, равное двум, то ( 13 + log 2= 14, т. е. общая емкость системы увеличилась на единицу. Заметим, что это равносильно присоединению к общей схеме передачи дополнительного реле или другого устройства, обладающего двумя устойчивыми состояниями.

Итак, система событий может принимать ряд состояний. Каждому из этих состояний должен соответствовать определенный сигнал, с помощью которого можно передать сообщение (информацию) о состоянии системы. Если все сообщения, описывающие состояние системы, передаются с равной вероятностью, то уравнение (1.2) определяет не только информационную емкость системы, но и максимальное количество информации, которое может быть получено об этой системе. Например, поезд (система) на рис. 1.2, б может равновероятно находиться на одном из четырех путей (в четырех состояниях). Вероятности передачи любого из четырех возможных сообщений о месте нахождения поезда будут одинаковы (Р= 1 /4). С одинаковой вероятностью (Р=1/2) можно получить сведения, на какую сторону упала монета при подбрасывании ее вверх.

Сообщения могут поступать и с разной вероятностью: одни — чаще, другие — реже. Кроме того, если сообщений много, то и восприниматься они могут по-разному: одни представят больший интерес, другие — меньший, третьи вообще не представят никакого интереса, так как уже известны. Здесь вступает в действие субъективный фактор, который, казалось бы, невозможно выразить математически *. Однако анализ сообщений показывает, что количество информации в сообщении оказывается наибольшим тогда, когда это сообщение будет наиболее неожиданным или наименее вероятным. Случайные события изучает теория вероятностей, базирующаяся на объективном учете статистических факторов. Все это позволяет определить меру количества информации в общем виде, а не только в частных случаях.

*Дело в том, что в обыденной жизни понятие информации тесно связано со смыслом. Например, информация о том, что на облигацию займа пал большой выигрыш, будет воспринята Вами по-разному в зависимости от того, кому принадлежит данная облигация. Если эта облигация Ваша качественный смысл информации будет один, а если она принадлежит кому-то неизвестному, ценность информации для Вас будет совсем другой. Количество информации не связано 'со смысловым содержанием сообщения, т, е. количественно нельзя оценить смысл сообщения. Специалиста интересует, например, какое число сообщений или телефонных разговоров можно передать по данной линии связи, но его не интересует смысл этих сообщений, т, е. о чем будут разговаривать абоненты.